Введение к работе
Актуальность темы. Одним из направлений повышения
эффективности систем управления предприятием или организацией в
условиях переходной экономики является использование в практике
управления оптимизационных задач. Низкая степень применения
оптимизационных задач во многом обусловлена неадекватностью
математической модели реальным условиям и автономным
информационным обеспечением их решения. Технология
использования существующих пакетов программ для решения
оптимизационных задач предполагает, что математическая модель задачи уже построена и остается только представить ее в определенном формате. Таким образом, имеющиеся программные средства характеризуются излишней жесткостью реализации и оставляют неавтоматизированным этап построения модели.
Необходимость существенного развития сферы использования методов оптимизации не требует дополнительного обоснования. Научные исследования и необходимость создания средств построения моделей операций направлены на поиск новой компьютерной технологии моделирования постановок оптимизационных задач. Постановка задач, являясь одним из первых этапов технологии детального проектирования систем, логически и функционально взаимосвязана с предпроектным анализом систем управления. Действительно, во-первых, систему в ситуации необходимости внедрения новых задач с высокой степенью вероятности можно считать исчерпавшей потенциальные возможности повышения эффективности функционирования и ставшей "тормозом" из-за морального старения реализованных в ней идей и используемых средств, во-вторых, новый инструмент постановки и решения оптимизационных задач целесообразно использовать в системе управления с реконструкцией, при необходимости, существующей технологии управления и с обоснованием состава автоматизируемых функций и задач, что позволяет избежать "копирования" и, следовательно, существенно повысить потенциальные возможности системы.
Качество и эффективность систем закладываются при
проектировании. Практика показала, что внедрение
автоматизированных систем часто не оказывало существенного влияния на качество управления в целом, и, как следствие, во многих внедренных системах не было получено ожидаемого эффекта. Кроме того, современные средства системного проектирования, используемые для автоматизации управления, предполагают
выполнение предпроектного анализа, однако Не содержат методических рекомендаций по его проведению.
Таким образом, одной из проблем эффективного внедрения средств вычислительной техники является проблема обоснования общей методологии разработки и совершенствования технологии управления объектом, поиск новых рациональных методов проектирования систем управления, которые обеспечивают их эффективное функционирование и развитие. Система автоматизированного управления как средство поддержки новых механизмов управления должна включать объективно обоснованный комплекс задач с реализацией в системе предельно экономных процессов функционирования. Ресурсосберегающая технология как единственно обоснованная для предпроектного анализа и определения архитектуры создаваемой системы управления, в свою очередь, предполагает использование оптимизационных задач.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка технологии и создание автоматизированного средства компьютерного построения и анализа моделей оптимизационных задач.
В соответствии с поставленной целью задачи исследования сформулированы следующим образом:
обзор существующих программных средств оптимизации и подготовка предложений по автоматизации процессов формирования моделей оптимизационных задач;
разработка основ компьютерной технологии автоматизации постановки оптимизационных задач;
исследование и разработка методов и средств компьютерного построения, анализа и ведения моделей операций;
исследование и разработка метода оптимизации состава задач автоматизированного управления с апробацией теоретических и прикладных исследований и универсальности предлагаемого метода.
Предметом исследования является совокупность вопросов разработки технологии компьютерного построения и применения моделей операций с использованием системного подхода и методов оптимизации, реализуемых на базе современной информационной технологии.
Теоретической и методической базой исследований явились труды отечественных и зарубежных ученых в области использования методов оптимизации в производстве, управлении и проектировании.
Методы исследования. Результаты исследований базируются на применении теории графов, теории множеств, теории принятия решений, методов линейного, нелинейного и дискретного программирования, методов комбинаторной математики.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
предложено проводить классификацию оптимизационных задач по виду элементов модели с учетом имеющейся информации о проблемной ситуации;
разработана формальная модель процесса построения и анализа оптимизационных моделей;
разработаны методы компьютерного построения моделей операций;
предложен метод оптимизации состава задач автоматизированного управления, основанный на идее сведения нелинейной задачи к многократному решению задачи линейного целочисленного программирования с перерасчетом на каждом этапе ее характеристик и пошаговой модификацией исходного списка.
Практическая ценность. Практическая ценность
разработанных методов и инструментальных средств состоит в следующем:
- предложенный признак классификации оптимизационных задач
позволяет осуществлять формализованный анализ значений атрибутов
постановки задачи с целью распознавания класса оптимизационной
модели и метода получения оптимального решения;
технология компьютерного построения моделей оптимизационных задач позволяет специалистам-практикам в конкретной предметной области (СПО) строить модели операций и проводить их анализ, используя созданный программно-инструментальный комплекс;
разработанный программно-инструментальный комплекс благодаря реализации в нем различных по сложности освоения методов построения моделей операций дает возможность существенно снизить требования к управленческому персоналу на знание особенностей методов оптимизации, тем самым позволяет СПО принимать активное участие в разработке новых моделей и способствует расширению области использования оптимизации в практике управления;
- методика предпроектного анализа позволяет обосновать
архитектуру системы на основе оптимизации состава функций и задач
автоматизированного управления, поставить и решать вопросы
построения эффективной для автоматизируемого объекта
управленческой технологии, в особенности, той ее части, которая
функционирует на основе внутрипроизводственной информации;
- внедрение результатов исследований в практику автоматизации
управления позволит формировать адекватные предметной области
модели операций, решать проблемы анализа и ведения моделей
оптимизационных задач и, в конечном итоге, повышать эффективность функционирования систем.
Достоверность результатов теоретических исследований проверена и подтверждена экспериментами на имитационных, учебных и реальных моделях Сибирского научно-исследовательского института авиации им. С.А. Чаплыгина и ООО "Типовые решения", а также использованием средств компьютерного формирования моделей операций в учебном процессе факультета АВТ и Института социальной реабилитации НГТУ.
Результаты, выносимые на защиту:
- системное представление оптимизационных моделей и
реализующих их средств в виде структурного и морфологического
описания;
технология компьютерного построения и анализа моделей оптимизационных задач, основу которой составляют соответствующие методы, формальный язык описания постановок задач линейного (непрерывного и целочисленного) и квадратичного программирования и итерационный алгоритм синтеза оптимизационных моделей;
этапы методики предпроектного анализа систем управления, ориентированной на переход от целей функционирования системы через управленческие функции и информационное обеспечение их выполнения к обоснованному выбору состава задач управления;
метод оптимизации состава задач автоматизированного управления и соответствующий алгоритм, результаты апробации метода на решении задач оптимизации состава экспериментальных и проектных работ с учетом технологической взаимосвязи между работами;
программное обеспечение, реализующее предложенные методы, и результаты его применения.
Апробация результатов работы. Основные результаты и положения диссертационной работы обсуждались на следующих конференциях:
- студенческих научно-технических конференциях НГТУ (Новосибирск, 1995 - 1997 гг.); Межвузовской научной студенческой конференции "Интеллектуальный потенциал Сибири" (Новосибирск, 1996 г., 1997 г.); Международной научно-практической конференции "Информационные технологии в образовании, управлении и промышленности" (Комсомольск-на-Амуре, 1996 г.); XXXV Международной студенческой научно-технической конференции "Студент и научно-технический прогресс: информационная технология" (Новосибирск, 1997 г.); Международной научно-методической конференции "Новые информационные технологии в университетском образовании" (Новосибирск, 1997 г.); Российской научно-практической
конференции "Образование в условиях реформ: опыт, проблемы, научные исследования" (Кемерово, 1997 г.); Международной научно-практической конференции "Научные основы высоких технологий" (Новосибирск, 1997 г.); Третьем Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике "ИНПРИМ-98" (Новосибирск, 1998 г.); Шестом Международном семинаре "Распределенная обработка информации" (Новосибирск, 1998 г.); V Международной конференции "Computer Data Analysis and Modeling" CDAM-98 (Минск, 1998 г.); Третьем Корейско-Российском международном научно-техническом симпозиуме "KORUS'99" (Новосибирск, 1999 г.); второй и третьей Международной научно-методической конференции "Качество образования. Проблемы оценки.Управление.Опыт" (Новосибирск, 1999 г., 2000 г.).
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе по направлению 55.28.00 - "Информатика и вычислительная техника", а также по другим смежным направлениям.
Работа проводилась в рамках гранта Новосибирского государственного технического университета для выполнения магистерской диссертации 1996 г., грантов Минвуза РФ по информатике и кибернетике 1996-2000 гг., гранта Минобразования РФ "Университеты России-фундаментальные исследования" 1998 - 1999 гг.
Результаты работы отмечены дипломом на студенческой научной конференции "Дни науки НГТУ-97", а также грамотой в конкурсе на лучший программный продукт 1996 г. АВТФ НГТУ в номинации "Программное обеспечение для использования в учебном процессе".
Публикации. Результаты, полученные в диссертационной работе, нашли отражение в 15 печатных работах, а также вошли в два научно-технических отчета по грантам Министерства образования РФ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на ста пятидесяти восьми страницах машинописного текста, иллюстрируется пятьюдесятью рисунками и восемью таблицами. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и восьми приложений.